Istraživanje osjetljivosti komponenti piezoelektričnih keramičkih pretvornika

Zbog piezoelektričnog učinka, piezoelektrična keramika može izravno pretvoriti neelektričnu energiju u električnu energiju, a njezina se piezoelektrična konstanta može znatno poboljšati prilagodbom sastava sastava  ili promjenom kombinacije piezokeramičkih ploča, čime se učinkovito poboljšava njezina osjetljivost. Stoga pi ezoelektrična keramika pretvornika kao osjetljivi elementi dobivaju sve više pažnje. Ukratko je predstavljen osnovni princip i sastav piezoelektričnog senzora. Čimbenici koji utječu na osjetljivost piezoelektričnog senzora detaljno su razmotreni od statičkog do dinamičkog. Na temelju toga dobiva se učinkovita metoda za poboljšanje osjetljivosti.

Senzor je uređaj s funkcijom detekcije koji se široko koristi u područjima industrije, poljoprivrede, nacionalne obrane i medicine. Zove se 'Električna petica', koja detektira različite neelektrične veličine simulirajući funkcije crta ljudskog lica . piezo okrugli disk pretvornik s piezoelektričnim efektom jedan je od PZT materijala za izradu senzora. Piezoelektrični senzori koji su nam poznati uključuju piezoelektrične akcelerometre, piezoelektrične žiroskope, piezoelektrične manometre i galvanometre. S napretkom tehnologije rođeni su mnogi novi senzori, a poboljšane su i performanse postojećih senzora. Osjetljivost je važan pokazatelj senzora. Sljedeći čimbenici govore o čimbenicima koji utječu na osjetljivost senzora sa  statičkog i dinamičkog aspekta.

Osnovni  principi i  sastav p  ijezoelektričnih )  keramičkih senzora su uređaji koji koriste piezoelektrične učinke piezoelektričnih keramičkih ploča za pretvaranje napona (ili naprezanja  su napon (ili naboj), a zatim ih pojačavaju i izlaze kroz pojačalo. Piezoelektrične keramičke ploče su ključne komponente. Iz perspektive pretvorbe signala, piezoelektrične keramičke ploče ekvivalentne su generatoru naboja.

Piezokeramički senzor sastoji se od mehaničkog sustava koji prenosi vanjsku silu na piezoelektričnu keramičku ploču, piezoelektričnu keramičku ploču i mjernog kruga koji prenosi električni naboj na mjerač. Mehanički sustav je dio nosača za montiranje i fiksiranje piezoelektrične keramičke ploče. Sustav je u izravnom kontaktu s vanjskim svijetom, a kada je podvrgnut vanjskoj sili, nosač i piezoelektrična keramička ploča se zajedno deformiraju. Piezoelektrični keramički list generira izlazni naboj deformacijom. Mjerna linija pojačava naboj i pretvara ga u izlazni napon.

2 Čimbenici koji utječu na osjetljivost piezoelektričnog senzora

Osjetljivost a piezoelektrični disk pretvornik  je omjer malog prirasta izlaza prema malom prirastu odgovarajućeg ulaza. Što je veći omjer, veća je osjetljivost. Osjetljivost piezoelektričnog senzora povezana je s osjetljivošću triju dijelova koji ga čine. Budući da su tri dijela povezana u seriju, osjetljivost piezoelektričnog senzora množi se s osjetljivošću triju dijelova. Sljedeća analiza se izvodi iz statičke i dinamičke. 

2.1 Statička analiza
Statička analiza odnosi se na analizu odnosa između ulaza i izlaza senzora u stacionarnim uvjetima. Izlazna varijabla je samo funkcija ulazne varijable, tj. y=f(x), a njena osjetljivost je dy.

(1) Budući da postoji jednostavan linearni odnos između S i F, Q i S, te U i Q pod statičkim uvjetima, može se promijeniti u U0=CijdijA, gdje je Cij ekvivalentni koeficijent elastične popustljivosti mehaničkog sustava; Dij je ekvivalentna piezoelektrična konstanta piezoelektrične keramike; A je faktor pojačanja mjernog voda; donji indeks ij predstavlja smjer sile odnosno smjer deformacije. Kako bi se povećala osjetljivost piezoelektričnog senzora, učinkovito je povećati vrijednost jednog ili više faktora. Među njima, potencijal za povećanje vrijednosti piezoelektrične konstante piezoelektrične keramičke ploče je najveći, a piezoelektrična konstanta se može povećati prilagodbom formulacije piezoelektrične keramike, a piezoelektricitet se može poboljšati serijski paralelnom kombinacijom piezoelektričnih keramičkih ploča. Konstante, kao što je paralelno spajanje piezoelektričnih keramičkih ploča, udvostručuju osjetljivost naboja. Osim toga, pravilan odabir električnih uvjeta piezoelektrične keramičke ploče također može povećati vrijednost piezoelektrične konstante, kao što je piezoelektrična keramika u električnom graničnom stanju kratkog spoja veća od ekvivalentne piezoelektrične konstante otvorenog stanja. Za piezoelektričnu keramiku način vibracija je drugačiji, piezoelektrična konstanta je također različita, a tangencijalna piezoelektrična konstanta (d15) veća je od piezoelektrične konstante debljine (d33) i radijalne piezoelektrične konstante (d31). Podaci o piezoelektričnoj konstanti piezoelektrične keramike PZT4. Osjetljivost električnog senzora povezana je s osjetljivošću tri komponente koje ga čine. Budući da su tri komponente spojene u seriju, osjetljivost piezoelektričnog senzora množi se s osjetljivošću tri komponente. Sljedeća analiza se izvodi iz statičke i dinamičke.

2.1 Statička analiza
Statička analiza odnosi se na analizu odnosa između ulaza i izlaza senzora u stacionarnim uvjetima. Izlazna varijabla je samo funkcija ulazne varijable, tj. y=f(x), a njena osjetljivost je dy. Osjetljivost senzora je da budući da postoji jednostavan linearni odnos između S i F, Q i S, te U i Q pod statičkim uvjetima, a jednadžba (1) se može promijeniti u U0=CijdijA(2) gdje je Cij mehanički Ekvivalentni koeficijent elastične popustljivosti sustava; dij je ekvivalentna piezoelektrična konstanta peizoelektrični diskovi keramički pretvornik

; A je faktor pojačanja mjernog voda; donji indeks ij predstavlja smjer sile odnosno smjer deformacije. Kako bi se povećala osjetljivost piezoelektričnog senzora, učinkovito je povećati vrijednost jednog ili više faktora. Među njima, potencijal za povećanje vrijednosti piezoelektrične konstante piezoelektrične keramičke ploče je najveći, a piezoelektrična konstanta se može povećati prilagodbom formulacije piezoelektrične keramike, a piezoelektricitet se može poboljšati serijsko-paralelnom kombinacijom piezoelektričnih keramičkih ploča. Konstante, kao što je paralelno spajanje piezoelektričnih keramičkih ploča, udvostručuju osjetljivost naboja. Osim toga, pravilan odabir električnih uvjeta piezoelektrične keramičke ploče također može povećati vrijednost piezoelektrične konstante, kao što je piezoelektrična keramika u električnom graničnom stanju kratkog spoja veća od ekvivalentne piezoelektrične konstante otvorenog stanja. Za piezoelektričnu keramiku način vibracija je drugačiji, piezoelektrična konstanta je također različita, a tangencijalna piezoelektrična konstanta (d15) veća je od piezoelektrične konstante debljine (d33) i radijalne piezoelektrične konstante (d31). Prikazuje kontinuirani signal piezoelektričnih konstantnih podataka piezoelektrične keramike PZT-4, koji također mogu biti impulsni signali ili periodični ulazni. U ovoj točki, izlazne karakteristike senzora više nisu u stabilnom stanju, već se javlja prolazna prijelazna karakteristika, to jest, odnos između izlaza i ulaza bit će funkcija vremena. Dinamičke karakteristike senzora obično se analiziraju korištenjem amplitudno-frekvencijskih karakteristika. Najprije se raspravlja o amplitudno-frekvencijskim karakteristikama mehaničkog sustava piezoelektričnog senzora. Mehanički sustav općenito se klasificira u sustav drugog reda s jednim stupnjem slobode. Odnos amplitude i frekvencije izračunava se kao X0=sqrt(K/m) kao prirodna frekvencija sustava. Gdje je K koeficijent krutosti sustava, m je masa sustava; N je relativni koeficijent prigušenja. Iz jednadžbe se može znati da je za određenu vrijednost N, X/X0 u intervalu [0, 2/(1+4N2, ûH(jX)û je konstanta, a veličina je jednaka 1/X20, što je gornja granica maksimalne frekvencije sustava. To je 2X0/(1+4N2). Što se tiče dinamičke analize piezoelektričnih keramičkih ploča, radi pogodnosti Može se zaključiti da su njegove amplitudno-frekvencijske karakteristike konstantne u prilično širokom rasponu frekvencija, a deff je ekvivalentan u piezoelektričnoj konstanti. Uzimajući za primjer pojačalo naboja, Ri je ulazni otpor pojačala; Rf i Cf su povratna sprega otpor i povratni kapacitet, respektivno. U slučaju kada je povećanje dovoljno veliko, amplitudno-frekvencijska karakteristika mjerne linije je ravna, izračunavajući sljedeći odnos amplituda-frekvencija, to jest, Xm1/RfCf. Ukratko, kada je frekvencija varijacije vanjske sile unutar raspona. Amplitudno-frekvencijska karakteristika piezoelektričnog senzora je ravna.

Osjetljivost piezoelektričnog keramičkog senzora poznata je iz gornje rasprave. Pod dinamičkim uvjetima, kada je frekvencija vanjske sile unutar raspona, osjetljivost piezoelektričnog keramičkog senzora izražava se kao dinamička, a piezoelektrična keramička ploča se poboljšava snižavanjem prirodne frekvencije mehaničkog sustava. Piezoelektrična konstanta i metoda smanjenja povratnog kapaciteta mjernog voda mogu poboljšati osjetljivost piezoelektričnog senzora.

a. Prema statičkoj analizi, kako bi se poboljšala osjetljivost piezoelektričnog senzora, osjetljivost svake komponente može se poboljšati, to jest, koeficijent elastične popustljivosti mehaničkog sustava, ekvivalentna piezoelektrična konstanta piezoelektričnog keramičkog komada i faktor pojačanja mjerne linije su poboljšani. Među njima, potencijal za povećanje piezoelektrične konstante piezoelektrične keramičke ploče je najveći.
b. Prema dinamičkoj analizi, osjetljivost piezoelektričnog senzora treba promatrati u kombinaciji s frekvencijom promjene vanjske sile. U ravnom području amplitudno-frekvencijskih karakteristika, osjetljivost piezoelektričnog senzora može se poboljšati povećanjem mase mehaničkog sustava, povećanjem piezoelektrične konstante piezoelektrične keramičke ploče i smanjenjem koeficijenta krutosti mehaničkog sustava i povratnog kapaciteta mjerne linije.
c. U kombinaciji sa statičkom analizom i dinamičkom analizom, poznato je da povećanje piezoelektrične konstante piezoelektrične keramičke ploče može učinkovito poboljšati osjetljivost piezoelektričnog senzora, a također je jedna od najpraktičnijih metoda. To je zato što je lakše povećati piezoelektričnu konstantu piezoelektrične keramičke ploče podešavanjem kemijskog sastava piezoelektrične keramike. Štoviše, piezoelektrična keramička ploča može povećati efektivnu piezoelektričnu konstantu piezoelektrične keramičke ploče odabirom prikladnog načina vibracije i serijsko-paralelne kombinacije.